電動車驅控器功率密度趨勢與技術發展方向

前言

因應全球暖化趨勢，節能減碳為各國最重要的發展目標，根據分析調查，交通運輸的碳排放占全球溫室氣體的16%，因此要實現淨零碳排，關鍵方法是停止製造和銷售燃油車，這也是近年來電動車發展迅速的原因，然而電動車與燃油車最大的差異在於動力能量來源為電池，為提升續航力，降低駕駛者里程焦慮問題，電池在電動車體積占比大，因此在底盤空間有限的情況下，如何縮小電動車內各系統體積，提升功率密度，為汽車和電子工業在推進電動車發展過程中，必須面對的重要技術挑戰，而在電動車關鍵系統中，最常被提及的為三電系統，包含電池、電控、電機，本文主要針對電控系統部分中的驅控器進行細部分析與討論，闡述如何透過軟硬體間的技術整合搭配，來達到提高電動車驅控器功率密度目標，進而提升電動車續航力。

本研究是基於美國US Drive 2025年對於電動車驅控器技術功率密度目標藍圖作為指標，並與國際現況產品作分析比對，透過系統化分析拆解目前電動車驅控器關鍵組件，並計算關鍵組件體積占比，設想如何縮小內部硬體，包含高規格硬體組件的導入及新拓撲架構的開發，並搭配馬達控制軟體演算法優化，透過軟硬整合來達到最高效益，除此之外，在高功率的應用情境下，散熱系統的設計也是重要的議題之一，因此如何設計兼顧高功率驅動及小體積之散熱水道為技術挑戰之處，綜括而論，要開發高功率密度驅控器，需同時在硬體、軟體與機構面作最佳化整合。

驅控器功率密度趨勢與技術發展方向

1.驅控器功率密度趨勢

本章節將從驅控器的功率密度發展趨勢談起，圖1為US DOE US Drive v2017 [1]及v2024 [2]在驅控器的目標藍圖，可看出在v2017版本中，設定目標為2025達100 kW/L，而在近期公布的v2024版本中，將目標藍圖往後設定到2035年，並將2025年更正為150 kW/L，另外階段目標為2030年200 kW/L、2035年225 kW/L，且在驅動電壓條件也更嚴格被定義，2025年為600 V，2030提高到800 V。

圖2綜整國際電動車驅控器功率密度趨勢，其中包含車廠、動力系統廠、論文研究及本研究現況與未來目標，另外標註US DOE US Drive v2017及v2024 版本目標做為標竿對象，從該趨勢圖來分析，值得關注的是電動車驅控器功率密度大幅提升的分水嶺出現在SiC功率模組的導入，SiC（碳化矽）為第三代半導體材料，兼具寬能隙、高崩潰電壓、高導熱係數、高電絕緣性與高功率密度等關鍵特性，在電子元件的應用中具有快速切換、耐高溫及耐高電壓等功能；在高頻與高功率電子元件和模組構裝製程中也具有較理想的熱膨脹係數，是高頻、高功率以及高散熱需求應用的理想選擇，高崩潰電壓讓驅控器可操作在較高的驅控電壓，提升最大驅動功率，高導熱係數可簡化散熱水道設計，縮小水道體積，快速切換可提高馬達控制切頻條件來縮小被動元件體積，如直流電容，綜整以上，SiC功率模組的導入可同時帶來提高驅動功率及縮小驅控器體積優勢，進而大幅提升功率密度，本研發也從2021年Si IGBT架構約20 kW/L功率密度，進化到SiC MOSFET架構，現況達84 kW/L功率密度，同步於國際大廠水準，並預計在2025年達100kW/L，符合US DOE US Drive v2017藍圖目標。

以目前國際大廠現況技術來看，離US DOE US Drive v2024設定目標都還有許多的進步空間，目前在學術研究論文紛紛開發前瞻技術來提升功率密度，後續章節將針對電動車驅控器技術發展方向細部探討。